基于物聯(lián)網(wǎng)的家用電器的組網(wǎng)控制系統(tǒng)研究

黃欣欣

傳感器、ZigBee、4G移動(dòng)通信等物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)不斷發(fā)展，已經(jīng)在物流運(yùn)輸、智能家居、安防保險(xiǎn)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。家用電器可以通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集成在一起，使用傳感器、攝像頭等采集家用電器運(yùn)行狀態(tài)及環(huán)境信息，通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、TD-LTE移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)送到控制中心，將其輸出到控制中心電視墻或智能手機(jī)終端上，方便用戶實(shí)時(shí)查看和控制家用電器。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng) ZigBee 傳感器 家用電器 智能家居

1 引言

物聯(lián)網(wǎng)是一種集成客觀物品、多媒體通信、電子信息采集等多種技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)，與不同的應(yīng)用環(huán)境結(jié)合，產(chǎn)生了不同類型的物聯(lián)網(wǎng)，比如RFID網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為物聯(lián)網(wǎng)的一種形式，其利用傳感器節(jié)點(diǎn)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)通信等技術(shù)，在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控、安防保護(hù)、智能家居等領(lǐng)域得到了普及和推廣，尤其是隨著智能家居的出現(xiàn)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一門新興的技術(shù)，其綜合了嵌入式軟件設(shè)計(jì)、無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)、分布式信息管理等技術(shù)，促進(jìn)了智能家居的發(fā)展，能夠?qū)崟r(shí)地采集和分析家居環(huán)境信息，控制家用電器工作狀態(tài)，具有重要的作用。

2 家用電器集成通信聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

2.1 ZigBee無(wú)線通信技術(shù)

ZigBee是一種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，其基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)，不僅僅定義了一個(gè)良好的物理層、訪問控制層路由傳輸協(xié)議，并且能夠?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)通信提供網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層協(xié)議，實(shí)現(xiàn)家用電器數(shù)據(jù)的采集、傳輸和控制。ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)具有自組織、自愈功能，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以感知其他節(jié)點(diǎn)的存在，并且可自行確定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，組成一個(gè)結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)，適應(yīng)性調(diào)整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性強(qiáng)。ZigBee采用CSMA-CA進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信碰撞避免檢測(cè)，能夠?yàn)榧矣秒娖餍畔⒉杉A(yù)留專用帶寬資源，避免數(shù)據(jù)傳輸時(shí)帶寬資源競(jìng)爭(zhēng)和沖突。ZigBee協(xié)議通信傳輸耗費(fèi)的能量較少，可延長(zhǎng)傳感器的工作時(shí)間，提高傳感器的工作效率。

2.2 4G TD-LTE移動(dòng)通信技術(shù)

4G TD-LTE移動(dòng)通信技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前無(wú)線通信的主流技術(shù)，該技術(shù)使用OFDM的多址接入模式，可以有效地增強(qiáng)無(wú)線鏈路通信技術(shù)，采用高可靠性的軟件無(wú)線電技術(shù)和高效的調(diào)制解調(diào)技術(shù)，有效地提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾省?/p>

3 家用電器組網(wǎng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 家用電器組網(wǎng)控制系統(tǒng)功能

隨著電力通信技術(shù)的快速發(fā)展，人們?yōu)榧彝ベ?gòu)置了多種多樣的家用電器，不僅僅包括電視機(jī)、家用電腦、電冰箱、洗衣機(jī)、電熱水器和空調(diào)等傳統(tǒng)電器，還逐漸添加了榨汁機(jī)、室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀、無(wú)線路由器、平板電腦、視頻監(jiān)控器、跑步機(jī)等多功能小型家電設(shè)備，利用ZigBee、傳感器等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以將這些家用電器集成、連接在一起，實(shí)現(xiàn)家用電器信息采集、傳輸和控制等功能，具有重要的作用。

3.1.1 家用電器信息采集

信息采集功能可以通過(guò)部署在物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器節(jié)點(diǎn)，有效地采集家用電器運(yùn)行的狀況和環(huán)境信息，分別是家用電器自身工作信息和運(yùn)行環(huán)境的溫度、濕度、氧氣、二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫和甲烷等相關(guān)信息，然后再傳遞到系統(tǒng)中，并實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量信息的感知。

3.1.2 家用電器信息傳輸和控制功能

傳感器節(jié)點(diǎn)采集到家用電器信息、環(huán)境信息之后，可以使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)，控制系統(tǒng)能夠?qū)⑿畔?zhǔn)確保存數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中。家用電器信息傳輸過(guò)程詳細(xì)描述如下：傳感器節(jié)點(diǎn)部署在家用電器上，利用傳感器自帶的溫控、濕控、設(shè)備狀態(tài)控制功能采集家用電器數(shù)據(jù)信息，將其傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)4G TD-LTE移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將其傳輸?shù)椒?wù)器中，以便能夠進(jìn)行邏輯業(yè)務(wù)處理，并且根據(jù)控制結(jié)果向家用電器發(fā)出控制命令，比如關(guān)閉、打開等。

3.2 家用電器組網(wǎng)路由傳輸控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

家用電器信息采集過(guò)程中，ZigBee網(wǎng)絡(luò)完成的功能包括數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理和轉(zhuǎn)發(fā)等功能。ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在家用電器控制系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要包括兩種，分別是ZigBee終端節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，這兩種節(jié)點(diǎn)可以集成在一起，構(gòu)成一個(gè)完善的家用電器無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)可以完成家用電器信息采集、數(shù)據(jù)信息發(fā)送、控制命令接收等功能，ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的硬件部分主要由電源模塊、電源管理模塊、時(shí)鐘模塊、射頻天線單元、LED顯示模塊、信號(hào)調(diào)理模塊和傳感器模塊共同構(gòu)成，其中電源管理最為關(guān)鍵，可以為傳感器提供信息采集、傳輸、接收的工作電壓。ZigBee網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)又被稱為路由器節(jié)點(diǎn)，其可以讀取傳感器采集的數(shù)據(jù)，將傳感器采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)封裝起來(lái)，并發(fā)送到相關(guān)的服務(wù)器，同時(shí)接收響應(yīng)指令，并實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)路由數(shù)據(jù)的功能，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，可以自由靈活放置網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的主要能量也是來(lái)源于電池，因此網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的硬件電路結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，主要由電源模塊、時(shí)鐘模塊、CC2350、射頻天線單元、LED顯示模塊共同組成。

4 結(jié)束語(yǔ)

家用電器組網(wǎng)控制是智能家居的一個(gè)關(guān)鍵內(nèi)容，也是物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物，其可以提高人們家居生活的智能化、運(yùn)城化和數(shù)字化水平，進(jìn)一步提高人們對(duì)家用電器的控制能力，確保家庭安全。

參考文獻(xiàn)

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作者單位

四川長(zhǎng)虹軟件與服務(wù)中心 四川省成都市 610094